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1、1 建设精细化轨道交通协同体系中关键问题研究 唐会 李健 【摘要】【摘要】在城市综合交通体系中，轨道交通承担着主骨架作用，对城市正常运转意义重大。在我国的几个特大城市中，轨道交通与地面交通以及轨道交通路网各线之间的影响呈现出多样化、高强度和扩大化的趋势。尤其在突发事件的应急处置中，暴露出城市综合交通系统中各方式之间的协同配合存在许多缺陷问题。面向实际需要，城市综合交通需要从理论、理念和概念讨论阶段向技术方法研究和工程实施方向推进。本文提出以公共交通系统中轨道交通与道路交通之间、以及轨道交通系统内部协同为突破，建设精细化城市综合交通体系的思路，以应对城市巨灾时交通各系统高效协同处置为目标，提出大
2、客流冲击时线路运力资源合理分配与优化方法、突发事件车站容量预测预警方法、运营中断时多系统协同思路和方法。【关键词】【关键词】轨道交通；精细化综合交通；突发事件；多系统协同 1.前言前言 在城市综合交通体系中，轨道交通承担着主骨架作用，对城市正常运转意义重大。面向实际需要，城市综合交通体系既要注重理论和理念探讨，更要着重对可实施的方法和策略进行研究。在我国的几个特大城市中，随着轨道路网规模的扩大和形态的日益复杂，轨道交通与地面交通以及轨道交通路网各线之间的影响呈现出多样化、高强度和扩大化的趋势。以北京为例，近两年来，恶劣天气尤其是大范围降雨引发的多起突发事件对城市交通产生的重大影响，在这一系列突
3、发事件的应急处置中，暴露出城市综合交通系统中各方式之间的协同配合的许多缺陷问题。其中比较重要的原因就是综合交通具体实施方法与技术的缺失，使得应对措施无法落实，综合交通体系整体上还处在理念和概念阶段，真正可以面向应用的方法并没有得到深入研究，精细化综合交通体系的建设之路还很漫长。首先，在网络化客流研究方面，现有研究多着力于各交通系统之间的客流分担，在轨道交通中则以客流特征及预测研究为主，更偏重于宏观，从地面公交与地铁联动处置的需求来看，需要对突发事件下乘客影响规模和空间分布等问题进行专门研究。其次，在轨道交通系统内部运力运量相互影响研究方面，国内外研究中对列车本身的调整关注较多，而将行车与客流关
4、系综合考虑的较少，且部分模型参数设计与现实相比仍存在较大裕量，缺乏具有针对性的尤其是应急状态下轨道交通与其它交通方面协同处置方法，包括大客流冲击下的轨道路网多站协调限流、地面公交接驳协同、车站滞留乘客规模变化等方面的分析。以应对城市巨灾时交通各系统高效协同处置为目标，对精细化综合交通建设中的技术问题进行提炼，从资源配置差异角度出发，提出以下问题。（1）地铁车站常态客流高峰情况下实施多站协同限流：主要解决线路运力优化配置与车站容量协同利用问题，通过优化控制，达到小区域路网均衡运输的目的，避免大客流冲2 击带来的影响。（2）车站客流组织中突发事件情况下车站容量预测预警：主要解决运力下降情况下车站客
5、流的滞留、积压与车站容量之间的关系问题，目的在于向事发线路及受影响线路各车站及时发送预警，提示相关车站提前做好客流组织准备。（3）多系统协作处置时运营中断后的公交摆渡支援：在轨道交通运营中断或运力大幅下降需要地面交通配合时，利用网络织补理念，主要解决中断运营情况下滞留乘客疏散的应急处理流程制定、协同地面公交支援等工作提供相应的技术支持问题，根据影响时间采取换乘节点控制、区域控制、关闭相关站点、线路等有效措施控制灾害带来的运营安全风险。2.大客流冲击时多站协同限流方法大客流冲击时多站协同限流方法 2.1 线路运力资源合理分配与利用技术思路 线路运力资源合理分配与利用技术思路 2012 年 7 月
6、 21 日降雨导致京港澳高速公路封路，房山与中心城区交通量大部分转移到 9 号线及房山线，为缓解客流压力，两线调整了列车运行计划，延长早、晚高峰时段，缩小高峰及平峰时段列车间隔，以应对大客流冲击的影响。在这个过程中，各站的协同限流和运力优化分配作用尤为重要。从控制科学与工程和系统工程的角度来看，本部分提出的地铁车站大客流情况下多站协同限流实际上是线路运力优化配置与车站容量协同利用问题。从系统的观点来看，线路运力资源合理分配与利用控制的内涵是在系统的总容量资源限制及各车站物理容量（可以扩展到站外空间）要求满足的条件下，通过线路运力的统一调节，对各车站进站人数进行协同控制，以维持或提高车站的客运安
7、全组织，以及最大限度地保障各车站之间乘客出行的公平性，是一种“资源可协同”控制类型。线路运力与车站容量协同控制中，可将控制水平粗略划分为三个等级，包括车站物理容量需求满足（不发生拥挤、通道容量控制）、轨道运力系统效率提升及各车站之间有效运力资源分配均等。轨道交通路网多车站协调限流尤其是小区域多车站组合的协调限流控制属于一个典型的包含多变量的控制问题，其中涉及到多车站之间的控制协同、相邻线路之间的控制协同等，借鉴大系统分层递阶控制的思想，多车站协调限流控制系统的框架结构可由一个二级递阶系统表示。其中的参数含义：J：系统总任务；R：系统总资源，或总约束条件。以第 i 和 j 个车站为基础控制点（i
8、，j=1，2，n），线路多车站协调限流控制系统结构可以表示为图 1 所示形式。3 JRiJiRjJjRiRiJjJjRiRiJjRjJiuixjujxijzjiz 图 1 路网多车站协调限流递阶控制系统结构 图 1 路网多车站协调限流递阶控制系统结构 xi，ui 及xj，uj：分别表示第i和j个车站的状态变量（进出站规模、空间容量规模）和控制变量（特定时段进站需求）；iJ，jJ为第i和j个车站分配的任务变量目标值；iR，jR为第i和j个车站分配的资源变量（车站空间容量及运力）；Ji，Jj分别为第i和j个车站实际完成的任务变量（特定时段内进站及上车乘客规模）；Ri，Rj分别为第i和j个车站实际消
9、耗的资源变量（等待时间、运力消耗）；()iiiRRR，()jjjRRR分别表示第i和j个车站资源变量协调偏差值；()iiiJJJ，()jjjJJJ分别表示第i和j个车站任务变量协调偏差值；Zij 及Zji表示第i和j个子系统之间的关联，也可以表示单个子系统受其它所有子系统的影响。如有N个子系统，第i个子系统与整体的关联系数为ijj iZZ。2.2 运力资源合理分配与利用优化方法 运力资源合理分配与利用优化方法 遵循排队论和经典控制理论，可将轨道交通线路运力优化配置与车站容量协同控制中的多车站视为不同排队，线路列车视为服务流，可利用的资源为主线的有效运力和车站的物理空间，属于典型的带有约束的有限
10、条件下资源共享与动态需求协同的优化问题。按照一般的系统分解与协同方法，首先用分层递阶控制结构描述线路运力优化配置与车站容量协同利用模型。每个车站及其内部站台、站厅、通道、广场空间单元视为单独子系统，后续的协同是考虑各子系统之间的关系，使各子系统可以协同控制达到受控区域的运力资源分配优化。因此，基于以上的考虑，本文中采用优化控制理论方法解决线路运力优化配置与车站容量协同利用问题。控制目标方程可以表示为式 1 函数形式：101min ()()(),()KMjkjJKwkkkxxjLu (1)4 式 1 中，K为控制的时间域，为终态状态函数，()kjL为子系统目标函数，jw为子目标权重，M为设定的子
11、目标数。具体到线路运力优化配置与车站容量协同利用目标的分析与选择：对于线路列车，要求实施控制后尽可能使某时段所有线路列车满载率维持在合适水平，以使列车在后续车站留有最充分的调节余地；关于车站客运组织，控制需要尽可能使各车站所有乘客等待时间最短。至于如何协同的分配给各车站则需要综合考虑其乘客排队的负荷状态、等待时间的长短等因素，采用各车站可以接受的乘客数量与车站乘客排队长度比值的偏差，即控制量偏差来衡量并作为控制目标，表示线路在满足各车站乘客需求中运力资源分配的公平性。以下基于这样的考虑进行具体的系统控制目标方程设计。以()kEx表示车站乘客排队长度，以()kTM表示列车有效运力向量，以()kT
12、E表示车站乘客等待时间，以()ku表示车站控制律向量。首先根据控制律向量和车站状态向量设计参数，表示控制律与车站乘客排队长度之间的关系。()()(1)kkkEux (2)各车站的控制量偏差向量可以表示为式 3：1()(),(1)nikfkkEEPux 11()()/(1)(1)nniiiiiir kr knkk (3)系统控制的目标方程的形式为式 4：min:J ()()()kkkMEEJTTP 1111()()KKKnkkiiTkTkMEa xc x (4)由以上方法得到优化控制律之后，在具体实施时可以由轨道车站自动售检票系统进、出站闸机显示进、出站人数和自动控制乘客出入，达到小区域路网均衡
13、运输的目的，提升服务质量，避免部分车站拥挤带来的踩踏、站台爆满、侵入限界等次生影响。3.突发事件车站容量预测预警突发事件车站容量预测预警 3.1 地铁车站容量安全预警问题 地铁车站容量安全预警问题 地铁行车间隔较小，如果由于突发事件造成有效运力下降，在车站内短时客流集聚非常明显，沿线多车站客流集聚现象波及速度快，同时也会影响地面交通。为减少影响，地铁短时行车组织调整频繁，调整作业方式较多，包括清人、通过及折返等，对乘客影响较大，从安全角度探讨地铁连续晚点时车站客流集聚更有紧迫性。突发事件发生时，大量客流在地下车站相对封闭且范围局限的空间内长时间集聚，产生严重安全隐患。现有研究中对集聚过程缺乏精
14、确分析，其影响还属于隐性信息。从提高5 地下空间安全的需求出发，连续晚点时客流集聚定量化分析方法需要深化研究。如果暂不涉及连续晚点产生的技术设备故障和技术组织故障原因等问题，仅从表象上看，列车连续晚点是若干运行列车组间的强烈扰动和传播的外在形式和后果，本文研究关注于连续晚点造成有效运力下降情况下的地下车站客流集聚及其影响过程定量化分析，综合考虑运力运量与乘客出行需求关系，建立连续晚点导致运力下降时的车站乘客集散模型进行仿真分析，从安全和运营服务的角度确定影响乘客规模。3.2 车站乘客滞留规模数量计算 车站乘客滞留规模数量计算 连续晚点导致有效运力下降时最直观的现象就是车站滞留乘客数增加。为表征
15、这种滞留数量的变化，需要计算客流量、运力及乘客滞留之间的变化关系，首先定义一组参数，在 t 时间内的 n 站：tnPI：进站乘客总量(以PIU与PID分别表示进站后上行与下行乘客数量)；tnPO：出站乘客总量(以POU与POD分别表示上行与下行出站乘客数量)；tnQU、tnQUA：上行理论可运送乘客总量及实际可接受乘客总量；tnQD、tnQDA：下行理论可运送乘客总量及实际可接受乘客总量；tnRQ：车站滞留乘客总量；tnRI：车站滞留乘客增长量。其中，tnQUA与tnQDA根据服务水平与设定列车满载率确定，tnRI表征有效运力与客流数量变化速度。乘客影响规模的度量采用人数指标，假设不同时刻进入
16、车站的乘客均遵守排队服务规则，滞留规模tnRQ是乘客到达率tnPIU与列车服务率tnQUA的函数，即tnRQ=f f(tnPIU,tnQUA)，如式(5)所示。10()().kttttttnnnnnntRQPIUQUARQTCTSPIUQUA (5)3.3 车站乘客滞留与容量关系及预警 车站乘客滞留与容量关系及预警 选择北京地铁 1 号线为例，计算各车站在运力下降情况下车站客流积压情况。以 1 号线各站进站量及同时段有效运力数据作为输入，以 7:00-8:00 为例，时段 1 表示 7:00-7:02数据，依次表示，如表 1 所示。表 1 正常状态下客流量及有效运力数据(单位：人)时段 进站量
17、 有效运力 时段 进站量有效运力 时段 进站量 有效运力1 100 120 11 160 165 21 265 240 2 102 122 12 180 175 22 270 245 3 105 123 13 200 185 23 270 245 4 110 124 14 220 200 24 275 245 5 115 125 15 230 210 25 270 240 6 120 130 16 235 220 26 270 240 7 125 135 17 240 225 27 265 230 8 130 140 18 250 235 28 255 225 9 140 145 19 255
18、 235 29 250 225 10 150 160 20 260 240 30 245 225 6 设计车站容量阈值，计算运力下降情况下车站滞留乘客数量及其与容量之间的关系，如果出现车站客流积压超过设定安全阈值时，则采取限流措施。如图 2 中 1 号线沿线的军博、西单、东单、建国门、国贸及大望路各站。五棵松公主坟军博木樨地南礼士复兴门西单天西天东王府井东单建国门永安里国贸大望路号线10204060801001502002503000204060800100200300020406080020040060080002040608010015020025030002040608001002003
19、00020406080100150200250300020406080050010000204060800500100015002000图 2 车站乘客滞留与容量关系 图 2 车站乘客滞留与容量关系 正常状态、连续晚点发生在平峰向高峰过渡时段，以及连续晚点发生在高峰时段 3 种情况下，考虑安全快速疏散所需要的预留空间，应在连续晚点发生后在车站外及时限流，防止客流短时猛增。4.运营中断时多系统协同运营中断时多系统协同 各种风险导致轨道交通区段运营中断事件发生后，大量乘客在站外滞留，需要轨道交通与公交联动，利用公交进行接驳和摆渡，安全及时地疏散乘客，尽力维持路网运营秩序。4.1 滞留规模确定技术思
20、路 滞留规模确定技术思路 在进行区段中断运营滞留乘客规模计算之前，有几点问题需要明确，作为轨道交通区段中断运营后公交支援进行乘客摆渡的前提条件。（1）运营中断后，运营企业应尽快组织短交路折返作业且折返作业尽量缩短中断区间的范围。在此前提下，以公交摆渡作为必要的补充措施，正确实施。（2）中断时间较长，短时无法恢复，有必要实施公交摆渡。同时，道路交通正常，可以提供支援。（3）明确掌握中断运营的站点、位置、车站滞留和正在进行区间疏散尚未到达站台的乘客数目。（4）确定将乘客疏散至本线的正常运营区段，或就近疏散至路网其他正常运营地铁线路。4.2 滞留乘客数量的确定 滞留乘客数量的确定 首先仅考虑双向中断
21、运营时滞留乘客规模问题。如遇单向中断，并采取单线双向折返运营的情况，再根据折返作业和车站容量等情况进行修正。+11nnnnnnSSSS进出 (6)7 11+nnnnnnXXXX进出 (7)nnnPSX进进进 (8)nnnPSX出出出 (9)式中：nS出为时间 t 内，上行由 n 站出站的乘客数量；nX出为时间 t 内，下行由 n 站出站的乘客数量；1nnS为时间 t 内，车站 n 至 n+1 上行断面流量；1nnX为时间 t 内，车站 n+1至 n 下行断面流量；nP进为时间 t 内，由 n 站进站乘客总量；nP出为时间 t 内，由 n 站进站乘客总量；T为两端短交路折返列车运行间隔。（1）按
22、照乘客需求计算的思路，假定在中断运营和公交摆渡的信息发布后，乘客仍选择到中断运营区段的各站等待公交摆渡，那么就需要根据特定时间段历史进站量数据分解为上下行流量，结合初始站折返运营后的乘客量，计算出各站需要摆渡的乘客量。（2）按照断面流量的思路，公交摆渡的乘客量等于中断运营区间各车站间历史同期的双向最大断面客流量。以最基本的站间中断为例：图 3 两站间中断运营及上下行公交摆渡示意 图 3 两站间中断运营及上下行公交摆渡示意 以短交路折返运营间隔为计算周期，任一折返间隔 T 内，在车站 1 形成的滞留乘客数量为：11-+TPNaSSNa进出折停 (10)N 表示车辆设计载客量，a折和a停分别表示后
23、方折返运营车辆的满载率以及在区间停驶车辆满载率。也可利用车站 1 与 2 间历史断面客流量计算，此时需要摆渡的乘客数量由车站 1 至 2的历史同期断面客流量加上区间停驶的车辆乘客数，简化的计算：1TPSNa2停 (11)同理，在车站 2 形成的下行摆渡数量也可按此方法计算。正常工作日和六日对应的规模需要根据最邻近的周相同日数据计算；如遇节假日等特殊日期，需要根据最邻近年相同节假日出行规模进行修正。在区段中断运营之后，轨道交通路网协调指挥技术流程如下：（1）了解运营中断发生的地点，调用折返作业信息 调用相关站点的客流信息、调用车辆运营信息，包括折返作业，估判中断运营的时间，8 判断需要摆渡的车站
24、区间。（2）判断滞留乘客的数量 根据基础信息，对乘客滞留规模进行查表、计算和修正，并可以根据中断运营的时间长度和应急折返开行的变化做出调整。（3）协调公交支援 另外，需要考虑区域及类别的划分问题。北京地铁线网规模较大，各条线路及沿线情况各异，但是可以进行归类，按照类型不同进行具体的公交摆渡支援疏散的量化分析。另外，由于公交集团进行公交支援调配运力一般按照就近原则执行，本文所提出的方案设计也需要根据地铁沿线附近公交具体情况进行具体修正。5.结束语结束语 近年来，北京的就业功能仍是向中心区集中，居住功能向郊区蔓延，大规模跨区域的交通需求巨大。在地铁、轻轨建设成网并发挥作用的相当长一段时间，北京的道
25、路交通拥堵仍会继续。即使北京的轨道交通在未来几年大规模成网后，受到通勤交通出行的增长以及受弹性需求影响改变出行方式而带来的大量新增机动车等多因素影响，城市道路交通拥堵也不会有明显好转，甚至还有可能进一步加剧，公共交通系统之间的协同更为必要，以公交和地铁之间的联动为突破建立精细化城市综合交通体系的重要性将更加凸显。精细化城市综合交通体系建设还属于一个较新的研究领域，其中涉及到多系统协作中需要处理的很多细节问题，未来研究中需要针对管理、技术等各方面存在的薄弱环节，研究并制定相应的措施，最终形成系统、完整并可操作的技术体系。【参考文献】【参考文献】1 沈培均.地铁的意义J.综合运输,2007(10)
26、.2 胡润州.地铁:优先发展城市公共交通战略的关键J.综合运输,2008(3).3 贾进.综合运输理念的解析J.综合运输,2011(7).4 徐瑞华,江志彬,邵伟中等.城市轨道交通列车运行延误及其传播特点的仿真研究J.铁道学报,2006(2).5 E.Wendler.The scheduled waiting time on railway linesJ.Transportation Research Part B,2007(41).6 M.Pavankumar,M.M.Dessouky and O.Fernando,et al.A delay estimation technique for single and double-track railroadsJ.Transportation Research Part E,2009(4).【作者简介】【作者简介】唐会，女，硕士，北京市工程咨询公司，工程师，注册咨询工程师（投资）。电子信箱： 李健，男，博士，北京市轨道交通指挥中心，工程师，注册安全工程师。电子信箱：